PostgreSQL存储结构浅析

导语

Endless Summer

PostgreSQL数据库是功能强大的开源数据库，越来越多的公司开始使用PostgreSQL。存储系统是PostgreSQL的最底层模块，它向下通过操作系统接口访问物理数据，向上为上层模块提供存储操作的接口和函数。本文通过对PostgreSQL的存储结构进行浅析，帮助大家了解这一强大的关系型数据库是如何存储数据的。

One

- 数据目录 -

PostgreSQL安装完成后必须先使用initdb程序初始化磁盘上的数据存储区，生成模板数据库和相应的目录、文件信息。

initdb -D /usr/local/pgsql/data

初始化目录中包含数据文件、参数文件、控制文件、数据库运行日志及WAL日志文件等，下图各目录和子文件的用途在此不做赘述。

默认情况下，PostgreSQL中的所有数据都存储在其数据目录里，这个数据目录通常会用环境变量PGDATA来引用，对于某个具体的数据库，在 PGDATA/base 里都对应有一个子目录，子目录的名字是该数据库在系统表pg_database里的OID，每个表的数据都存在其所属数据库目录下的独立文件里，文件以该表的filenode号命名，为了避免有些文件系统不支持大文件，PostgreSQL限制表文件大小不能超过 1GB（默认1GB，编译时可通过./configure --with-segsize= x修改）因此，当表文件超过 1GB 时，会另建一个有尾缀的文件 relfilenode.1，relfilenode.2……以此类推。
表文件的物理位置为：

$PGDATA/BASE/DATABASE_OID/PG_CLASS.RELFILENODE

*1

查看数据库test的OID

#select oid,datname from pg_database where datname='test'

*2

查看表t1的filenode

#select pg_relation_filepath('t1');

Two

- 数据文件结构 -

在PG中，磁盘存储和内存中的最小管理单位都是块，保存在磁盘中的数据块称为Page，内存中的数据块称为 Buffer，表和索引称为 Relation，行称为 Tuple。数据的读写是以Page 为最小单位，每个Page 默认大小为 8kB，在源码编译时可通过 ./configure --with-blocksize=BLOCKSIZE 设置其他大小，此后都不可更改。每个表文件由多个BLCKSZ字节大小的Page组成，每个Page 包含若干Tuple。

内存中的共享缓冲池缓存了block块（默认1000个），若缓冲池中的block块为脏，需要刷回磁盘，缓冲池细节在此不做赘述，需要时可另起一文解析。

Page结构

Page结构包括五部分：

PageHeaderData --在page头部，24个字节长度，记录page的元数据信息。

pg_lsn，存储page最新更改时，WAL日志的lsn信息。

pg_checksum，存储page的校验值。

pd_flags，标志位

pg_lower，到空闲空间开头的偏移量。

pg_upper，到空闲空间结尾的偏移量。

pd_pagesize_version，页面大小和布局版本号信息

pd_prune_xid，页面上最早未删除XMAX，如果没有则为0。

ItemIdData --在page header之后，一个记录（偏移量，长度）对的数组，指向实际tuple项，每个4 字节。

Free space --未分配的空间（空闲空间）。新项指针从这个区域的开头开始分配，新项从其结尾开始分配。

Items --用来存放行数据Tuple。

Special space--索引访问模式相关的数据。不同的索引访问方式存放不同的数据。在普通表中为空。

Tuple

页中的元组可细分为“普通数据元组和TOAST元组”。

TOAST(The Oversized-Attribute Storage Technique，超大属性存储技术)主要用于存储变长数据，当待插入元组的数据大小大于约为2KB(即页的1/4)时候，会自动启动TOAST技术来存储该元组。TOAST较普通元组稍加复杂些，这里主要针对普通元组文件进行说明。

元组内部可以分为三部分，分别是：堆元组头部（23字节）、NULL值位图和用户存储的数据。

*3

Pageinspect扩展

PostgreSQL在源码目录contrib下提供了许多扩展的功能，pageinspect扩展模块提供的函数让你从低层次观察数据库页面的内容，这对于调试目的很有用。

安装

#cd $PGSRC/contrib/pageinspect
#make
#sudo make install

简单使用

#psql -d test
test=#create extension pageinspect; 

创建测试表

drop table if exists t1;
create table t1 (id int, name varchar(20));
insert into t1 values(1,'aaa');

查看page header&item

SELECT * FROM page_header(get_raw_page('t1', 0));

select * from heap_page_items(get_raw_page('t1',0));

更新一行数据

update t1 set name='bbb' where id=1;

查看heap_page_items()，发现多了一条item，原因是PG更新数据时并不修改原tuple，而是插入一条新的tuple，并标记原tuple.t_xmax=新tuple的事务id。

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本文分享自微信公众号 - 开源软件联盟PostgreSQL分会（kaiyuanlianmeng）。
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